最新8.热电制冷解析PPT课件.ppt

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1、8.热电制冷解析8.1热电制冷原理及分析8.1.1热电效应热电制冷的理论基础是固体的热电效应。在无外磁场存在时，它包括五个效应:导热、焦耳热损失，西伯克(seebeck)效应、帕尔帖(Peltire)效应和汤姆逊(Thomson)效应。（1）西伯克(seebeck)效应由两种不同导体组成的电路中，如果导体的两个结点存在温度差，则电路中将产生电动势E，这就是西伯克效应。由于西伯克效应而产生的电动势称作温差电动势。材料的西伯克效应的大小，用温差电动势率α表示。材料相对于某参考材料的温差电动势率为由两种不同材料P、N所组成的电偶，它们的温差电动势率αPN等于αP与αN之差，即热电制冷中用

2、P型半导体和N型半导体组成电偶。两材料对应的αP与αN，一个为负，一个为正，取其绝对值相加，并将αPN直接简化记作α，有8.1.2基本热电偶的制冷特性热电制冷器的基本单元是半导体电偶。组成电偶的材料一个是P型半导体(空穴型)，一个是N型半导体(电子型)。用金属电桥(铜板)连接两个半导体电臂P和N，组成电偶，再用铜导线接到直流电源上构成回路。电流方向如图所示，当电流从从低能级电臂N向高能级电臂P运动时，需要从外界吸收热量，因此在两电臂的节点处产生吸热制冷现象。如果改变电流方向，使电流从高能级电臂P向低能级电臂N运动时，则会在两电臂的节点处产生放热现象。设热结点的温度是TH，冷结点的温

3、度TO，回路中的电流强度为IO。电臂的几何参数用横截面积A、长度L、面长比r（r=A/L）表示；电臂的材料特性用热导率λ，电阻率ρ表示。加在电偶两端的电压V1，一部分用来克服电臂电阻R引起的电压降V，一部分用来克服西伯克温差电动势VPN，即冷端的帕尔帖吸热量为：由于电偶冷、热端温度不同。沿电臂长度方向导热。假定无热损失，因温差导热流入冷端的热量为电臂上的焦耳热效应为认为焦耳热有一半流入冷端。故冷端从外界吸收的热量即制冷量为制冷量：基本热电偶的制冷特性如下：消耗的电功率：制冷系数：（1）欲使ε最佳欲使ε最佳，应使KR最小，并使电压V满足的条件，即8.1.3热电制冷性能的影响因素Z称为

4、电偶的优值系数，它的值只与电偶材料的物理性质(温差电动势率、电阻、热导率)有关。Z是评价电偶热电性能的一个综合参数。通常，热电偶的优值系数Z=3×10-31/K（2）欲使制冷能力最佳根据制冷量公式电偶的制冷能力与工作电流有关，帕尔帖热越大，焦耳热损失越小，则制冷能力越大。按求得使制冷能力最大的工作电流最佳值，即可得到最佳制冷能力：可见，制冷能力表现为制冷量QO和制冷深度，即制冷温差△T或冷端温度TO的大小。冷端温度TO越低或制冷温差△T越大，则制冷能力越小。对应不同的Z值，电偶处于制冷能力最佳状态下的最大温差和最低冷端温度值为：（3）材料对热电制冷性能的影响实现工作参数优化后，热电

5、制冷性能—无论是制冷系数还是制冷能力，都只取决于电偶的优值系数Z。Z值越高，材料越好。也就是说材料的温差电动势α越大，电阻率ρ，热导率λ越小，材料的热电制冷性能越好。目前国内制备较好的热电材料，P型的有碲化铋一碲化锑（Bi2Te3-Sb2Te3）固溶体合金；N型的是碲化秘一硒化秘（Bi2Te3-Bi2Se3）固溶体合金。它们在温室下的温差电性能如下：8.1.4多级热电制冷器为了获得更低的制冷温度（或更大的温差）可以采用多级热电制冷，它由单级电堆联结而成。前一级（较高温度级）的冷端是后一级的热端散热器。由于热电制冷的每一级电堆散热量远大于制冷量，所以高温级的热电偶数目要比低温级大得多

6、。而且，随着温度的降低，元件的温差电性能变差，总的温差△T并不是随级数的增多成比例提高的。所以实际上多级热电制冷的级数也不宜很多，一般为2~3级，最多达8级。多级热电堆的连接方式有串联、并联和串并联三种型式：串联型多级热电堆的特点是各级的工作电流相同，级与级之间的连接处需要一层电绝缘的导热层隔开，其材料一般采用阳极氧化铍、氧化铝等。要求该导热层的导热系数大，以减少级间传热温差所引起的损失。并联型多级热电堆的特点是各级的工作电压相同，工作电流比较大，由于级间既要导热又要导电，所以不需要级间电绝缘，也无级间温差。当要求的温差和负荷与串联型电堆相同时，并联型的电堆耗电要小些，但是线路设计

7、比较复杂。8.2热电制冷的特点及应用8.2.1热电制冷的特点（1）结构简单。没有任何机械运动部件，无噪声、无摩擦、可靠性高、寿命长，而且维修方便。（2）体积小。（3）启动快、控制灵活。冷却速度和制冷温度都可以通过调节工作电流简单而方便地实现。（4）操作具有可逆性。既可以用来制冷，又可以改变电流方向用于制热。（5）效率低，耗电多，价格很高。在大容量情况下，热电制冷的效率远不及蒸气压缩式制冷；但产冷量在20W以下，温差不超过50℃时，热电制冷的效率高于压缩式制冷。8.2.